交聯(lián)工藝對(duì)XLPE電氣性能影響研究

0引言

近年來(lái),我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,電力行業(yè)作為重要的國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱,也隨之發(fā)展迅速,前景十分可觀(guān)。目前長(zhǎng)距離交流輸電電壓等級(jí)已經(jīng)達(dá)到1000kv,長(zhǎng)距離直流輸電電壓等級(jí)也達(dá)到了± 1100 kv,作為電力安全可靠傳輸?shù)闹匾Ｕ喜糠?交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜被大規(guī)模投入使用,電力系統(tǒng)對(duì)于XLPE電纜絕緣性能的要求也逐漸提高^[1]。

研究XLPE電纜絕緣材料的絕緣性能,對(duì)高電壓行業(yè)的進(jìn)步具有重要的意義。本文通過(guò)改變交聯(lián)工藝的反應(yīng)條件(交聯(lián)溫度和時(shí)間)來(lái)探究其生成的XLPE交聯(lián)度與其絕緣性能的關(guān)系,進(jìn)而研究XLPE電纜交聯(lián)工藝的最佳條件。當(dāng)交聯(lián)度不適合時(shí),XLPE絕緣性能難以滿(mǎn)足電纜長(zhǎng)期工作要求。

絕緣偏心度是XLPE電纜的重要參數(shù)之一,絕緣偏心度的大小會(huì)影響XLPE電纜的絕緣性能。交聯(lián)工藝中不同的溫度選擇與交聯(lián)反應(yīng)不同的時(shí)間會(huì)影響XLPE電纜的絕緣偏心度,因此,優(yōu)化交聯(lián)工藝的交聯(lián)條件,可有效提高其絕緣性能,延長(zhǎng)XLPE電纜工作壽命,保障輸配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

XLPE絕緣材料的體積電阻率和交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)可以從不同方面反映其絕緣性能,XLPE電纜絕緣性能隨著體積電阻率與交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的增大而增大,故測(cè)量不同交聯(lián)條件下的XLPE樣片的體積電阻率和交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)對(duì)于分析其絕緣性能具有重要的意義。

從微觀(guān)結(jié)構(gòu)方面看,XLPE交聯(lián)度越大,晶體尺寸越小,晶體尺寸適中時(shí),XLPE絕緣材料的絕緣性能最好。所以,可以通過(guò)測(cè)量XLPE樣片在不同交聯(lián)條件下晶體尺寸大小,表征其絕緣性能的好壞。

1實(shí)驗(yàn)

1.1不同交聯(lián)度XLPE樣片制備

樣片制備所用的交聯(lián)方式為過(guò)氧化物交聯(lián),所需要的原料及使用的設(shè)備包括平板硫化機(jī)、耐高溫手套、方形鋼板、耐高溫塑料薄片、高純銅板、交聯(lián)聚乙烯絕緣料(包含LDPE、氧化劑DCP和抗氧化劑)^[2]。交聯(lián)模壓設(shè)定為15 MPa,模壓不同的交聯(lián)時(shí)間(10、15、20 min)使試樣發(fā)生不同程度的交聯(lián),然后在室溫下加壓15 MPa,冷卻時(shí)間10 min。制備得到XLPE樣片實(shí)物圖如圖1所示。

1.2 交聯(lián)度及晶體尺寸測(cè)試

實(shí)驗(yàn)儀器為X射線(xiàn)衍射儀,由四部分構(gòu)成:X射線(xiàn)發(fā)生器、測(cè)角儀、X射線(xiàn)探測(cè)儀和X射線(xiàn)系統(tǒng)控制裝置^[3]。X射線(xiàn)衍射源波長(zhǎng)為0.15418 nm;常用管壓為40 kv,管流設(shè)定為40 mA;掃描速率為10(°)/min,掃描范圍為10°~30°。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23413—2009,實(shí)驗(yàn)樣片按照1.1節(jié)所示步驟壓制,厚度為0.1mm,直徑為10cm。實(shí)驗(yàn)前,需對(duì)樣片真空干燥1 h以確保其適合進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析,并保持溫度為室溫,設(shè)定10-5Pa的真空度。實(shí)驗(yàn)需保持樣片表面光滑平整,避免造成衍射強(qiáng)度不均勻,并設(shè)置X射線(xiàn)衍射儀的掃描范圍和步進(jìn)角度,確保在2θ(θ為衍射角)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器的校準(zhǔn),確保X射線(xiàn)衍射儀工作狀態(tài)正常。啟動(dòng)X射線(xiàn)源并等待其穩(wěn)定后,開(kāi)始X射線(xiàn)衍射掃描,記錄樣片在不同角度下的衍射圖譜。

晶體尺寸計(jì)算所需謝樂(lè)公式為:

式中:D為垂直于觀(guān)測(cè)晶面的晶粒尺寸;K為一個(gè)常數(shù),通常取值為0.89;λ為X射線(xiàn)波長(zhǎng);B為衍射峰的半峰寬(FWHM);θ為衍射角。

1.3 交流擊穿實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用150 kv工頻耐壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和高壓電壓表;XLPE樣片直徑為10cm,厚度為0.1 mm;擊穿測(cè)試電極為半球形,高壓電極為上電極,接地電極為下電極,直徑均為20 mm,光滑無(wú)毛刺,電極系統(tǒng)放置于無(wú)雜質(zhì)變壓器油中。按照順序?qū)Σ煌宦?lián)條件的XLPE樣片進(jìn)行交流電壓擊穿實(shí)驗(yàn),以分析交聯(lián)工藝對(duì)XLPE試樣交聯(lián)度和63.2%概率擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響。因絕緣擊穿實(shí)驗(yàn)對(duì)XLPE樣片的損害較大,每個(gè)樣片僅隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？紤]到數(shù)據(jù)處理時(shí)威布爾分布所需數(shù)量問(wèn)題,同一交聯(lián)條件的樣片需要壓制3片^[4]。

實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路的連接如圖2所示,高壓電極連接在實(shí)驗(yàn)裝置的高壓端,接地電極在接地端。在XLPE樣片上隨機(jī)取一點(diǎn),固定在實(shí)驗(yàn)裝置中。固定后靜置5 min,

除去絕緣油中殘留的氣泡。以1 kv/s的升壓速度升壓,直至樣片至擊穿。樣片擊穿后緩慢降壓,直至降為0。等待1~2 min后進(jìn)行放電。在每個(gè)樣片上隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn),重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)3次,直至得到所有樣片的擊穿電壓。

1.4體積電阻率實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用大連理工大學(xué)絕緣電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和智能老化箱;XLPE樣片直徑10cm,厚度0.1 mm;測(cè)試時(shí)間為30 min;測(cè)試直流電壓為10 kv。XLPE絕緣材料的體積電阻率受環(huán)境溫度影響較大,故測(cè)試的環(huán)境溫度選取室溫和90℃ (XLPE電纜工作環(huán)境溫度為90℃),形成對(duì)照實(shí)驗(yàn)。測(cè)試前,需對(duì)試樣進(jìn)行60℃真空干燥處理2 h,避免濕度對(duì)體積電阻率測(cè)試的影響。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T1410—2006,在室溫下,按照?qǐng)D3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路接線(xiàn),高壓接口接到實(shí)驗(yàn)裝置的高壓端,低壓端接地。以1 kv/s的速度逐漸升壓至10 kv,等待5 min后電壓穩(wěn)定,開(kāi)始輸出測(cè)量值,計(jì)量間隔為100 ms,一次可測(cè)量10組數(shù)據(jù),間隔約0.5 min 測(cè)量一組,一共測(cè)10組。實(shí)驗(yàn)完畢后,逐漸降壓至0,等待2 min后放電。重復(fù)上述步驟。

將得到的絕緣電阻取算術(shù)平均值,體積電阻率的計(jì)算公式如下:

式中:P為體積電阻率;R為測(cè)量電阻值;S為樣片接觸面積;h為樣片厚度。

1.5 多物理場(chǎng)仿真

仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M在交聯(lián)管道中,隨著交聯(lián)溫度、時(shí)間的變化,絕緣料的流動(dòng)偏心度變化。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T12706—2020,參照三層共擠生產(chǎn)線(xiàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置各部分尺寸,利用COMSOL仿真軟件提供的繪圖工具建立幾何仿真模型^[5]。

為了模擬XLPE電纜在交聯(lián)管道中受重力、溫度的影響及絕緣料的熔融流動(dòng)狀態(tài),添加層流、水平集、流體傳熱三個(gè)物理場(chǎng),多個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算得到仿真計(jì)算模型。

從仿真結(jié)果讀取數(shù)據(jù),偏心度的計(jì)算公式如下:

P_偏=(t_max—t_min)/t_max (3)

式中:P_偏為絕緣偏心度;t_max、t_min分別為絕緣厚度最大值、最小值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 交聯(lián)度及晶體尺寸測(cè)試結(jié)果

不同交聯(lián)條件樣品的XRD衍射圖與通過(guò)函數(shù)進(jìn) 行擬合的示意圖分別如圖4所示。從圖4中可以看出110晶面衍射峰與200晶面衍射峰位置,進(jìn)而根據(jù)1.2節(jié)謝樂(lè)公式計(jì)算出垂直于110或200晶面方向的晶粒尺寸。

圖5展示了不同條件下XLPE樣片的XRD衍射強(qiáng)度曲線(xiàn)隨反應(yīng)條件的改變,110晶面衍射峰角度和200晶面衍射峰角度無(wú)明顯變化,但衍射峰半峰寬變化明顯。

從表1中可以看出隨著交聯(lián)條件的改變,衍射峰半峰寬呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。其中反應(yīng)條件180℃/20 min的110晶面衍射峰半峰寬為0.482°,是150℃/10 min 的1.088倍,200晶面衍射峰半峰寬為0.816°,是150℃/ 10 min的1.113倍。200晶面衍射峰半峰寬數(shù)值普遍大于110晶面衍射峰半峰寬。

根據(jù)謝樂(lè)公式計(jì)算出不同交聯(lián)條件下壓制的樣 片晶體尺寸,圖6為不同交聯(lián)條件樣片的晶體尺寸曲線(xiàn),從圖中可以看出隨交聯(lián)溫度和交聯(lián)時(shí)間的增加,110晶面晶體尺寸和200晶面晶體尺寸逐漸減小,表明樣片的交聯(lián)度逐漸增大。另外,110晶面晶體尺寸下降趨勢(shì)較為平緩,200晶面晶體尺寸下降趨勢(shì)較為陡峭,且110晶面晶體尺寸數(shù)值大于200晶面晶體尺寸。150℃/20 min與180℃/10 min晶體尺寸適中,為正常交聯(lián),晶體尺寸較大為欠交聯(lián),較小為過(guò)交聯(lián),均會(huì)導(dǎo)致電氣性能下降。

2.2 交流擊穿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

威布爾分布函數(shù)是一種連續(xù)概率分布函數(shù),形狀參數(shù)決定分布密度曲線(xiàn)的基本形狀,體現(xiàn)樣片擊穿場(chǎng)強(qiáng)的分散程度;尺度參數(shù)起放大或縮小曲線(xiàn)的作用,表示63.2%擊穿概率下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

絕緣材料擊穿的威布爾分布模型如下:

式中:P為試樣累計(jì)失效率;E為實(shí)際測(cè)試擊穿場(chǎng)強(qiáng);E₀為材料特征擊穿場(chǎng)強(qiáng),表示樣片擊穿率達(dá)63.2%時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度;β為形狀參數(shù),表征擊穿數(shù)據(jù)分散程度。

從圖7中得出正常交聯(lián)條件150℃/20min的63.2%擊穿場(chǎng)強(qiáng)為154.10kv/mm,擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到欠交聯(lián)條件XLPE樣片的1.47倍,為過(guò)交聯(lián)條件XLPE樣片的1.09倍,欠交聯(lián)150℃/10min的擊穿場(chǎng)強(qiáng)僅為104.74 kv/mm。

從表2中可以看出交聯(lián)條件為150℃/20min、180℃/10 min時(shí)形狀參數(shù)大于50,說(shuō)明其數(shù)據(jù)的分散程度小,擬合曲線(xiàn)程度高,也就是說(shuō)交聯(lián)度適中的 XLPE樣片擬合曲線(xiàn)分散程度更低,絕緣分布更加均勻;交聯(lián)條件150℃/10 min的形狀參數(shù)為28.69,其曲線(xiàn)的擬合程度較差;交聯(lián)條件180℃/15 min的形狀參數(shù)達(dá)到53.70,其曲線(xiàn)擬合程度較好^[6]。

表2不同交聯(lián)條件樣片的威布爾分布參數(shù)

2.3體積電阻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8為不同環(huán)境溫度下XLPE樣片直流體積電阻率測(cè)試結(jié)果,不同環(huán)境溫度下曲線(xiàn)的走向均為先升高后降低,表明隨著交聯(lián)條件的改變,體積電阻率先升高后降低。測(cè)試溫度的不同對(duì)樣片體積電阻率隨交聯(lián)度的變化趨勢(shì)影響不大。

從圖8可知,室溫下,反應(yīng)條件為150℃/20 min和180℃/10 min的樣片體積電阻率最大,交聯(lián)度適中,即樣片的絕緣性能較好;交聯(lián)條件為150℃/10 min 和150℃/15 min的樣片因交聯(lián)時(shí)間不夠,交聯(lián)溫度較低,交聯(lián)度不夠,導(dǎo)致直流體積電阻率明顯減小,絕緣性能降低;交聯(lián)條件為180℃/15min和180℃/20min的樣片因交聯(lián)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),交聯(lián)溫度較高,交聯(lián)度過(guò)大,直流體積電阻率也減小,絕緣性能降低。

2.4 多物理場(chǎng)仿真結(jié)果

圖9中交聯(lián)開(kāi)始時(shí)交聯(lián)擠出的聚乙烯絕緣料溫度為400 K,外層交聯(lián)管道內(nèi)流體溫度達(dá)到600 K,均為設(shè)定的加熱溫度。XLPE絕緣料厚度較大,導(dǎo)致其外層溫度高,隨著厚度增加到內(nèi)層逐漸遞減。隨著時(shí)間的增加交聯(lián)壁附近的溫度明顯升高,達(dá)到500 K以上,說(shuō)明隨著交聯(lián)過(guò)程的進(jìn)行,交聯(lián)管道內(nèi)層的溫度逐漸上升,施加的溫度越來(lái)越均勻,與真實(shí)的交聯(lián)過(guò)程相同^[7]。

從圖10可以看出,絕緣偏心度隨著交聯(lián)條件的變化,呈先減小后增大的趨勢(shì),絕緣性能隨著絕緣偏心度的變化,呈先增大后減小的趨勢(shì)[8]。交聯(lián)條件為150℃/20 min的XLPE電纜絕緣偏心度值為7.1%,符合南方電網(wǎng)8%以?xún)?nèi)的要求,絕緣性能良好。交聯(lián)條件為180℃/10 min的XLPE電纜絕緣偏心度值為8.3%,略微大于8%,絕緣性能基本滿(mǎn)足要求。而交聯(lián)條件為150℃/10 min和180℃/20 min的XLPE電纜絕緣偏心度超過(guò)了15%,甚至交聯(lián)條件為150℃/10 min的 XLPE電纜絕緣偏心度達(dá)到29.7%,超過(guò)25%,這兩種交聯(lián)條件下所生成的XLPE電纜絕緣偏心度過(guò)大,導(dǎo)致絕緣最大和最小厚度差距過(guò)大,嚴(yán)重影響了其絕緣性能。

3結(jié)論

本文選取XLPE絕緣材料作為研究對(duì)象,分析了交聯(lián)工藝對(duì)XLPE絕緣性能的影響,得出了如下結(jié)論:

1)交聯(lián)條件為150℃/20min、180℃/10min的 XLPE電纜絕緣偏心度值滿(mǎn)足要求,而其他XLPE電纜絕緣偏心度超過(guò)10%,不符合要求。

2)交聯(lián)條件為150℃/20min、180℃/10min的 XLPE樣片體積電阻率較大,擊穿場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較高,原因是欠交聯(lián)和過(guò)交聯(lián)都會(huì)導(dǎo)致電氣性能下降。

3)反應(yīng)條件為150℃/20min、180℃/10min的 XLPE樣片晶體尺寸適中,交聯(lián)度適合,絕緣性能更好。

本文對(duì)不同交聯(lián)條件下XLPE樣片的電氣性能進(jìn)行了分析,得出反應(yīng)條件為150℃/20 min、180℃/10 min的XLPE樣片交聯(lián)度適中,絕緣性能更高,可為交聯(lián)工藝的參數(shù)選取提供一定的參考。

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2024年第21期第1篇